CN106175792A - 一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其包括处理器、同步频域变换模块、光源发射模块、光源探测模块以及数据采集模块；同步频域变换模块分别与光源发射模块和光源探测模块连接，同步频域变换模块用于产生设定频率信号，并将该设定频率信号同步传递给光源发射模块和光源探测模块。本发明抗干扰性能更优，并且与现有技术相比，不仅能够通过探测出的近红外波相对增益值探测出氧合血红蛋白与还原血红蛋白的相对变化值，还可以检测出两者的绝对含量值，由此，检测结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及人体潜在功能研究及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统。
背景技术
近红外光源可根据其特定的波长，将皮下静脉或者动脉的血红细胞和周围组织区别开来。在近红外波段(700nm～1000nm)，生物体组织呈现低吸收、高散射的特性，对近红外光有较高的透明性，因此能够探测到一定深度的组织信息，同时这个波长范围也被称为生物组织的无损测量的光学窗口。
另外，近红外光谱法可用于人体各组织器官血氧饱和度的定量检测，由于脑组织供血、供氧的重要性，对脑组织的研究受到格外关注。氧合血红蛋白、还原血红蛋白在近红外波段具有一定吸收，且两者的吸收光谱存在一定的差异，由此也使得近红外光谱N I RS(Near-Infrared Spectroscopy)血氧测量技术得以迅速发展，并在临床研究中得以广泛应用。
近红外光谱技术是以氧合和还原血红蛋白、细胞色素氧化酶等的吸收光谱为基础，考虑到氧合血红蛋白与还原血红蛋白在近红外光波段吸收谱的差异性，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光对组织良好的穿透能力，研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与吸收谱相关的组织生化信息，通过对这些吸收色团浓度的相对变化测量，获取组织中的血氧含量变化信息。
而现有的近红外脑部扫描探测装置，通常采用宽光谱光源配合滤光镜，或者特定波长的发光二极管LED作为光源，并且探测装置的频域相对固定，只能获取和监测血红蛋白的相对含量，由此，探测结果精准度较低。
由于该项技术具有对人体无损、无创、无辐射的特点，适用于对人体长期数据采集及跟踪测量，因此可以被广泛用于心理学、认知学、临床医学及脑机接口。除此之外，该技术与其他医学影像技术(如：MRI，CT，PET)相比，在时间分辨率上具有明显优势，但空间分辨率相对较低。现有的近红外脑部扫描探测装置，通常采用宽光谱光源配合滤光镜，或者特定波长的发光二极管LED作为光源，并且探测装置的频域相对固定，由此，探测结果精准度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，以解决现有技术中存在的只能获取和监测血红蛋白的相对变化量，探测结果精准度较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，所述可变频域探测系统包括处理器、同步频域变换模块、光源发射模块、光源探测模块以及数据采集模块；
同步频域变换模块分别与光源发射模块和光源探测模块连接，同步频域变换模块用于产生设定频率信号，并将该设定频率信号同步传递给光源发射模块和光源探测模块；
所述光源发射模块用于向外发出带有所述设定频率的近红外光；
所述光源探测模块通过所述数据采集模块与所述处理器连接；光源探测模块用于接收所述光源发射模块发出的近红外光，并将接受到的近红外光变化信息与设定频率信号混合后通过所述数据采集模块传递给所述处理器。
进一步，所述光源探测模块包括若干个探测单元，所述探测单元包括依次连接的探测器、微信号放大器、混频器、低通滤波器和低频放大器；
所述探测器用于接收所述近红外光；
所述微信号放大器用于将高频电流转换成正弦波电压；
所述混频器用于解调差频信号，混频器与所述同步频域变换模块连接；
所述低频放大器与所述数据采集模块连接。
进一步地，所述探测单元还包括用于根据所述探测器温度变化自动调节高压输出的温度补偿高压发射器，所述温度补偿高压发射器与所述探测器连接，用于向探测器输出高压电源。
进一步地，所述同步频域变换模块包括第一压控振荡器和第二压控振荡器；
所述第一压控振荡器与所述混频器连接；
第二压控振荡器与所述光源发射模块连接。
进一步地，所述同步频域变换模块还包括高精数字可调电位器和运算放大器，第一压控振荡器和第二压控振荡器并联后依次顺序与运算放大器、高精数字可调电位器连接；高精数字可调电位器与所述处理器连接。
进一步地，所述同步频域变换模块还包括固定值高精分压器，所述运算放大器和所述高精数字可调电位器分别与固定值高精分压器连接，所述固定值高精分压器与电压基准元器件连接。
进一步地，所述探测器为光电转换器。
进一步地，所述探测器为光电接收二极管或者激光接收器。
进一步地，所述光源探测模块包括4-10个所述探测单元。
进一步地，所述处理器为微处理器，微处理器与计算机连接。
进一步地，所述光源发射模块包括光源驱动电路、光源功率调节单元、幅度调节单元以及发射器；
所述发射器分别和所述幅度调节单元以及所述光源功率调节单元连接。
进一步地，所述发射器为激光发射器。
进一步地，所述光源功率调节单元包括与所述光源驱动电路连接的数字电位器，数字电位器与所述发射器连接，用于调节发射器的光源功率。
进一步地，所述幅度调节单元用于调节所述发射器的射频幅度，所述幅度调节单元包括依次连接的线性稳压器、可变衰减器和数字电位器，可变衰减器分别与光源驱动电路、所述发射器以及第二压控振荡器连接。
进一步地，所述可变频域探测系统还包括探测头，探测头上包括壳体、以及壳体上设置的发射光纤和接收导光束；发射光纤与所述发射器连接，发射光纤的末端与头皮接触用于将发射器发出的近红外光导入人体内；所述接收导光束与所述探测器连接，接收导光束末端与头皮接触用于将接受到的近红外光传递给探测器。
进一步地，所述接收导光束围绕着发射光纤均匀设置。
进一步地，所述壳体内侧设置有柔性导向套，柔性导向套的内部设置有上大下小的导向孔，柔性导向套外形为上大下小的锥形，壳体扣在头部时，柔性导向套的下端穿过头发的缝隙与头皮接触；所述发射光纤和接收导光束插装在所述柔性导向套内；所述发射光纤和接收导光束在壳体外经柔性导向套插入壳体内时，柔性导向套的下端被挤压扩张进而拨开头发，进而便于发射光纤和接收导光束直接与头皮接触。
进一步地，所述发射光纤和/或所述接收导光束的末端为外凸的球面型。当使用时，所述发射光纤和/或所述接收导光束的球面型的结构顶压头皮，发射光纤和接收导光束的末端与头皮的接触面积增大，由此可以扩大接收导光束的接收面积，而对于发射光纤，则有利于加大探测深度。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，结构简单，使用方便，通过设置温度补偿高压发射器，随时根据探测器的温度调整探测器的电压值，从而消除由于温度变化而导致的信号误差，提高了系统探测精度；同时抗干扰性能更优，并且与现有技术相比，不仅能够通过探测出的近红外波相对增益值探测出氧合血红蛋白与还原血红蛋白的相对变化值，还可以检测出两者的绝对含量值，由此，检测结果更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的可变频域探测系统的同步频域变换模块结构示意图；
图2为本发明实施例提供的可变频域探测系统的光源探测模块结构示意图；
图3为本发明实施例提供的可变频域探测系统的光源发射模块结构示意图；
图4为本发明实施例提供的可变频域探测系统的探测头壳体结构示意图；
图5为本发明实施例提供的可变频域探测系统的探测头结构示意图；图6为本发明实施例提供的发射光纤或接收导光束球面型末端的放大示意图；
附图标记：
1-头皮； 2-头发；
10-光源探测模块； 11-处理器；
12-探测器； 13-微信号放大器；
14-混频器； 15-低通滤波器；
16低频放大器； 17-数据采集模块；
18-温度补偿高压发射器； 20-光源发射模块；
21-光源驱动电路； 22-光源功率调节单元；
22a-数字电位器； 23-幅度调节单元；
23a-线性稳压器； 23b-可变衰减器；
23c-数字电位器； 24-发射器；
30-同步频域变换模块；
31-第一压控振荡器； 32-第二压控振荡器；
33-运算放大器； 34-固定值高精分压器；
35-高精数字可调电位器； 36-电压基准元器件；
40-探测头； 41-壳体；
42-柔性导向套； 43-发射光纤或者接收导光束；
50-计算机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
如图1-3所示，本实施例提供的可变频域探测系统包括处理器11、同步频域变换模块30、光源发射模块20、光源探测模块10以及数据采集模块17；
同步频域变换模块30分别与光源发射模块20和光源探测模块10连接，同步频域变换模块30用于产生设定频率信号，并将该设定频率信号同步传递给光源发射模块20和光源探测模块10。
光源发射模块20用于向外发出带有设定频率的近红外光；
光源探测模块10通过数据采集模块17与处理器11连接；光源探测模块10用于接收光源发射模块20发出的近红外光，并将接受到的近红外光变化信息与设定频率信号混合后通过数据采集模块17传递给处理器11。
光源探测模块10包括若干个探测单元，探测单元包括依次连接的探测器12、微信号放大器13、混频器14、低通滤波器15和低频放大器16；
探测器12用于接收近红外光；
微信号放大器13用于将高频电流转换成正弦波电压；
混频器14用于解调差频信号，混频器14与同步频域变换模块30连接；
低频放大器16与数据采集模块17连接。
探测单元还包括用于根据探测器12温度变化自动调节高压输出的温度补偿高压发射器18，温度补偿高压发射器18与探测器12连接，用于向探测器12输出高压电源。
同步频域变换模块30包括第一压控振荡器31和第二压控振荡器32；
第一压控振荡器31与混频器14连接；
第二压控振荡器32与光源发射模块20连接。
同步频域变换模块30还包括高精数字可调电位器35和运算放大器33，第一压控振荡器31和第二压控振荡器32并联后依次顺序与运算放大器33、高精数字可调电位器35连接；高精数字可调电位器35与处理器11连接。
同步频域变换模块30还包括固定值高精分压器34，运算放大器33和高精数字可调电位器35分别与固定值高精分压器34连接，固定值高精分压器34与电压基准元器件36连接。
探测器12为光电转换器。优选地，探测器12为光电接收二极管或者激光接收器。
光源探测模块10包括8个探测单元。
处理器11为微处理器，微处理器与计算机50连接。
光源发射模块20包括光源驱动电路21、光源功率调节单元22、幅度调节单元23以及发射器24；
发射器24分别和幅度调节单元23以及光源功率调节单元22连接。
优选地，发射器24为半导体激光发射器。
光源功率调节单元22包括与光源驱动电路连接的数字电位器22a。数字电位器22a与所述发射器24连接，用于调节发射器24的光源功率。
幅度调节单元23包括依次连接的线性稳压器23a、可变衰减器23b和数字电位器23c，可变衰减器23b分别与光源驱动电路21、发射器24以及第二压控振荡器32连接。幅度调节单元23用于调节发射器24的射频幅度。
可变频域探测系统还包括探测头40，如图4-5所示，探测头40上包括壳体41、以及壳体41上设置的发射光纤和接收导光束；发射光纤与发射器连接，发射光纤的末端与头皮接触用于将发射器发出的近红外光导入人体内；接收导光束与探测器连接，接收导光束末端与头皮接触用于将接受到的近红外光传递给探测器。接收导光束围绕着发射光纤均匀设置。
壳体41内侧设置有柔性导向套42，柔性导向套42的内部设置有上大下小的导向孔，柔性导向套42外形为上大下小的锥形，壳体41扣在头部时，柔性导向套42的下端穿过头发2的缝隙与头皮1接触；发射光纤和接收导光束插装在柔性导向套42内；发射光纤或者接收导光束43在壳体41外经柔性导向套42插入壳体41内时，柔性导向套42的下端被挤压扩张进而拨开头发，进而便于发射光纤或者接收导光束43直接与头皮1接触。
如图6所示，发射光纤或接收导光束43的末端为外凸的球面型。当使用时，发射光纤或接收导光束43的球面型的结构顶压头皮，发射光纤和接收导光束43的末端与头皮的接触面积增大，由此可以扩大接收导光束的接收面积，而对于发射光纤，则有利于加大探测深度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，包括处理器、同步频域变换模块、光源发射模块、光源探测模块以及数据采集模块；
同步频域变换模块分别与光源发射模块和光源探测模块连接，同步频域变换模块用于产生设定频率信号，并将该设定频率信号同步传递给光源发射模块和光源探测模块；
所述光源发射模块用于向外发出带有所述设定频率的近红外光；
所述光源探测模块通过所述数据采集模块与所述处理器连接；光源探测模块用于接收所述光源发射模块发出的近红外光，并将接受到的近红外光变化信息与设定频率信号混合后通过所述数据采集模块传递给所述处理器。
2.根据权利要求1所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述光源探测模块包括若干个探测单元，所述探测单元包括依次连接的探测器、微信号放大器、混频器、低通滤波器和低频放大器；
所述探测器用于接收所述近红外光；
所述微信号放大器用于将高频电流转换成正弦波电压；
所述混频器用于解调差频信号，混频器与所述同步频域变换模块连接；
所述低频放大器与所述数据采集模块连接。
3.根据权利要求2所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述探测单元还包括用于根据所述探测器温度变化自动调节高压输出的温度补偿高压发射器，所述温度补偿高压发射器与所述探测器连接，用于向探测器输出高压电源。
4.根据权利要求2所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述同步频域变换模块包括第一压控振荡器和第二压控振荡器；
所述第一压控振荡器与所述混频器连接；
第二压控振荡器与所述光源发射模块连接。
5.根据权利要求4所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述同步频域变换模块还包括高精数字可调电位器和运算放大器，第一压控振荡器和第二压控振荡器并联后依次顺序与运算放大器、高精数字可调电位器连接；高精数字可调电位器与所述处理器连接。
6.根据权利要求5所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述同步频域变换模块还包括固定值高精分压器，所述运算放大器和所述高精数字可调电位器分别与固定值高精分压器连接，所述固定值高精分压器与电压基准元器件连接。
7.根据权利要求4所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述光源发射模块包括光源驱动电路、光源功率调节单元、幅度调节单元以及发射器；所述发射器分别和所述幅度调节单元以及所述光源功率调节单元连接。
8.根据权利要求7所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述光源功率调节单元包括与所述光源驱动电路连接的数字电位器，数字电位器与所述发射器连接，用于调节发射器的光源功率；
所述幅度调节单元用于调节所述发射器的射频幅度，所述幅度调节单元包括依次连接的线性稳压器、可变衰减器和数字电位器，可变衰减器分别与光源驱动电路、所述发射器以及第二压控振荡器连接。
9.根据权利要求7所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述可变频域探测系统还包括探测头，探测头上包括壳体、以及壳体上设置的发射光纤和接收导光束；发射光纤与所述发射器连接，发射光纤的末端与头皮接触用于将发射器发出的近红外光导入人体内；所述接收导光束与所述探测器连接，接收导光束末端与头皮接触用于将接受到的近红外光传递给探测器；所述壳体内侧设置有柔性导向套，柔性导向套的内部设置有上大下小的导向孔，柔性导向套外形为上大下小的锥形，壳体扣在头部时，柔性导向套的下端穿过头发的缝隙与头皮接触；所述发射光纤和接收导光束插装在所述柔性导向套内；所述发射光纤和接收导光束在壳体外经柔性导向套插入壳体内时，柔性导向套的下端被挤压扩张进而拨开头发，进而便于发射光纤和接收导光束直接与头皮接触。
10.根据权利要求9所述的用于近红外脑部扫描的可变频域探测系统，其特征在于，所述发射光纤和/或所述接收导光束的末端为外凸的球面型。
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